КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 22-12-00298

НазваниеИсследование примесно-дефектных центров и рекомбинаций Шокли - Рида - Холла в эпитаксиальных структурах CdHgTe и гетероструктурах с квантовыми ямами HgCdTe/CdHgTe

Руководитель Гавриленко Владимир Изяславович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" , Нижегородская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-202 - Полупроводники

Ключевые слова CdHgTe, HgCdTe, гетероструктура, квантовая яма, примесь, дефект, вакансия, фотопроводимость, фотолюминесценция, рекомбинация Шокли-Рида-Холла

Код ГРНТИ29.19.31

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект посвящен исследование примесей и дефектов в эпитаксиальных структурах CdHgTe и гетероструктурах с квантовыми ямами (КЯ) HgCdTe/CdHgTe – центров рекомбинации Шокли - Рида – Холла (ШРХ). В последние годы исследовательскими группами ИФМ РАН и ИФП СО РАН (контрагент в настоящем проекте) выполнен цикл исследований, направленных на изучение возможностей генерации излучения на межзонных переходах в гетероструктурах с квантовыми ямами (КЯ) HgCdTe/CdHgTe и при оптическом возбуждении уже получено стимулированное излучение в широком диапазоне длин волн от 2.5 мкм до 31 мкм, что позволяет ставить в повестку дня создания лазерных источников излучения, которые могут работать при температуре близкой к комнатной в коротковолновой части указанного диапазона (в окне прозрачности атмосферы 3-5 мкм), так и в области длиннее 30 мкм, куда не заходят квантовые каскадные лазеры на полупроводниках А3В5 из-за сильного фононного поглощения. Одной из фундаментальных проблем при создании длинноволновых межзонных лазеров является доминирование безызлучательных механизмов рекомбинации над излучательным при уменьшении ширины запрещенной зоны. Важнейшим механизмом безызлучательной рекомбинации является оже-рекомбинация, которую в той или иной степени удается подавить в КЯ HgCdTe/CdHgTe за счет «симметрии» законов дисперсии электронов и дырок. Другим механизмом безызлучательной рекомбинации является рекомбинация Шокли-Рида-Холла через состояния примесей и дефектов в запрещенной зоне, которому до настоящего времени не уделялось должного внимания. В работах авторов проекта было показано, что пороговый для возникновения стимулированного излучения уровень оптического возбуждения структур с КЯ HgCdTe/CdHgTe существенно снижается при «подбарьерном» возбуждении, когда энергии кванта накачки недостаточно для генерации электрон-дырочной пары в барьерах, где неравновесные носители могут рекомбинировать не успев захватиться в КЯ. При электрической накачке в структурах с p-n переходом, когда носители инжектируются как раз в широкозонные барьерные слои этой проблемы очевидно не удастся избежать, поскольку в работающем инжекционном лазере всегда имеет место инжекция неосновных носителей (электронов в p-, а дырок в n-область). Таким образом, исследование особенностей рекомбинации по механизму Шокли-Рида-Холла в широкозонных составах твердого раствора CdHgTe (типичная доля Cd в барьерах ~0.7) является актуальной задачей. Создание инжекционных лазеров в структурах с КЯ HgCdTe/CdHgTe с p-n переходом перспективно, как представляется, в первую очередь для диапазона 3-5 мкм. В длинноволновой области, когда ширина запрещенной зоны в КЯ много меньше, чем в барьерах, а стимулированное излучение наблюдается (по крайней мере, в настоящее время) только при низких температурах инжекция носителей в барьерные слои с последующим захватом в КЯ будет приводить к сильному разогреву неравновесных электронов и дырок и к «включению» безызлучательной оже-рекомбинации. В этой ситуации предпочтительнее оптическое возбуждение носителей непосредственно в КЯ, например, излучением ККЛ среднего ИК диапазона. Однако и в этом случае безызлучательная рекомбинация через состояния дефектов в запрещенной зоне может в значительной мере определять пороговый уровень возбуждения. «Родными» дефектами для структур CdHgTe являются вакансии ртути – двухвалентные акцепторы с энергиями состояний до 20 мэВ, что как раз составляет половину запрещенной зоны для структуры, излучающей на длине волны ~30 мкм. В последние годы авторами настоящего проекта выполнен большой цикл исследований таких дефектов, но вопросы рекомбинации через их состояния как в узкозонных, так и в широкозонных составах CdHgTe остаются белым пятном. Научная новизна проекта обусловлена оригинальностью экспериментальных методов и теоретических подходов, которые будут использованы для исследования примесно-дефектных центров и рекомбинации ШРХ в эпитаксиальных слоях CdHgTe и гетероструктур с КЯ HgCdTe/CdHgTe. В узкозонных гетероструктурах с КЯ, выращиваемых методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) основными центрами, через которые идет рекомбинация ШРХ, являются вакансии ртути. На основе развитого теоретического описания энергетических спектров и волновых функций вакансий планируется построение модели рекомбинации ШРХ и сопоставление ее скорости со скоростью излучательной рекомбинации. Для диагностики будут использованы развитые авторами методы наблюдения вакансионных фотопроводимости (ФП) и фотолюминесценции (ФЛ) при различных температурах и уровнях возбуждения. В этой частотной области проведение кинетических измерений ФЛ затруднено, ввиду инерционности имеющихся в распоряжении авторов фотоприемников. Будут проводиться исследования релаксации ФП при различных температурах и уровнях «внутриямного» оптического возбуждения короткими импульсами излучения генератора разностной частоты (длина волны до 17 мкм). Широкозонные структуры с КЯ и объемные эпитаксиальные слои CdHgTe (с составом, соответствующим составу барьерных слоев в структурах с КЯ) будут выращиваться методом МЛЭ в ИФП СО РАН. Будет отработана технология вакансионного и химического (мышьяком с остановкой роста) легирования слоев CdHgTe для создания материала p-типа, необходимого для реализации инжекционного лазера. Будут выращены легированные индием слои CdHgTe для исследования рекомбинации ШРХ в материалах n-типа. Легированные мышьяком слои CdHgTe p-тира будут выращиваться как методом МЛЭ (с остановкой роста при легировании), так и методом MOCVD. Будут впервые выполнены исследования спектров вакансий ртути и химических примесей (в первую очередь мышьяка) в широкозонных эпитаксиальных слоях CdHgTe методом фототермоионизационной спектроскопии. Для исследования глубоких центров в этих материалах (как центров рекомбинации ШРХ) будет использована комбинация методов времяразрешенной ФЛ и остаточной ФП (в структурах с КЯ) для чего в едином технологическом цикле будут выращены объемные эпитаксиальные слои CdHgTe и структуры с КЯ с такими же барьерами CdHgTe (как нелегированными, так и легированными). Наконец, будут одновременно исследованы нелегированные и легированные слои CdHgTe, выращенные двумя методами: МЛЭ и MOCVD, что должно позволить выявить сходство и различие в составах остаточных примесей и дефектов. Для описания рекомбинации ШРХ через глубокие центры будет впервые использована развитая авторами применительно к вакансиям ртути модель, в которой потенциал примесно- дефектного центра выбирается в виде суммы короткодействующего потенциала и кулоновского в отличие от ранних моделей, где потенциал выбирался в виде дельта-функции. При расчете вероятностей безызлучательных переходов с использованием золотого правила Ферми нельзя пренебрегать “длинноволновой” частью волновой функции, которя определяется как раз кулоновской частью потенциала. Сопоставление с результатами эксперимента позволит определить входящие в модель параметры глубоких центров и тем самым существенно уточнить теорию, описывающую процессы рекомбинации электронов и дырок через примесно - дефектные центры в КРТ пленках и гетероструктурах с КЯ HgCdTe/CdHgTe. Таким образом, предлагаемое в проекте экспериментальное и теоретическое исследование энергетических спектров примесно-дефектных центров и рекомбинации Шокли-Рида-Холла в эпитаксиальных структурах CdHgTe (материале барьерных слоев) и квантовых ямах HgCdTe/CdHgTe представляется значимым с фундаментальной точки зрения и актуальным для создания на основе этой системы длинноволновых лазеров.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---